(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプリング窓間に複数のアナログ超音波信号を出力する超音波トランスジューサ素子のアレイを備えた超音波画像形成システムにおいて、
１つのバンクのアナログ／デジタルコンバータを使用して複数のアナログ超音波信号をデジタルサンプリングして信号サンプルの複数のシーケンスを発生する段階であって、前記バンクのアナログ/デジタルコンバータのアナログ/デジタルコンバータにより発生された信号サンプルの各シーケンスがサンプリング窓間に前記超音波トランスジューサ素子のアレイの対応するトランスジューサ素子により出力されるアナログ超音波信号を表すような段階と、
複数の圧縮ユニットを用いて信号サンプルの複数のシーケンスを圧縮して、圧縮サンプルの複数の対応シーケンスを形成する段階であって、前記複数の圧縮ユニットの各圧縮ユニットは前記バンクのアナログ/デジタルコンバータの対応するアナログ/デジタルコンバータによって信号サンプル出力の1つのシーケンスから圧縮サンプルの対応するシーケンスを形成するようになっており、信号サンプルの複数のシーケンスにおける信号サンプルの特定のシーケンスを、前記サンプリング窓間に他のトランスジューサ素子から出力されるアナログ超音波信号を表す信号サンプルとは独立して圧縮して、前記特定のシーケンスよりも少ないビット数を含む、圧縮サンプルの対応シーケンスを形成することを含むような段階と、
マルチプレクサを用いて圧縮されたサンプルの前記複数の対応するシーケンスを多重化する段階であって、
多重化された信号サンプルの前記複数のシーケンスにおけるほうが圧縮サンプルの前記対応する複数のシーケンスにおけるよりも少ないシーケンスになっている、段階と、
前記多重化された信号サンプルの前記複数のシーケンスの多重化された信号サンプルの各シーケンスを複数のデータポートの対応するデータポートを介して転送するためにシリアル化する段階と、
を備えた方法。
【請求項２】
前記データ転送インターフェイスから受け取られた圧縮サンプルの少なくとも一部分を解凍して、解凍サンプルを形成する段階であって、その解凍サンプルに前記信号プロセッサがビーム成形オペレーションを適用するような段階を更に備えた、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記データ転送インターフェイスから受け取られた圧縮サンプルの少なくとも一部分を解凍して、解凍サンプルを形成する段階であって、その解凍サンプルを前記信号プロセッサがダウン変換するような段階を更に備えた、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記信号サンプルのシーケンスを、前記圧縮段階の前に中間周波数又は基本帯域へダウン変換する段階を更に備えた、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記圧縮段階は、圧縮サンプルの複数の対応シーケンスをリアルタイムで発生する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
サンプリング窓間に複数のアナログ超音波信号を出力する超音波トランスジューサ素子のアレイを備えた超音波画像形成システムにおいて、
複数のアナログ超音波信号を受信するための複数のアナログ入力と、デジタルインターフェイスにおける複数のデータポートとを有する集積回路デバイスを備え、この集積回路デバイスは、
アナログ入力に受信される複数のアナログ超音波信号をデジタルサンプリングして、サンプリング窓の間に信号サンプルの複数のシーケンスを発生するように結合される複数のアナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）であって、各ＡＤＣが、対応するトランスジューサ素子により出力される対応するアナログ超音波信号をサンプリングして、信号サンプルの対応シーケンスを形成するような複数のＡＤＣと、
信号サンプルの複数のシーケンスを受信するように結合された複数の入力を有しそして圧縮サンプルの複数のシーケンスを発生する圧縮器であって、この圧縮器は、複数の圧縮ユニットを含み、対応する圧縮ユニットが、信号サンプルの対応シーケンスを、前記サンプリング窓の間に他のトランスジューサ素子から出力されるアナログ超音波信号を表す信号サンプルとは独立して圧縮して、前記特定のシーケンスよりも少ないビット数を含む、圧縮サンプルの対応シーケンスを形成する圧縮器と、
圧縮されたサンプルの前記複数の対応するシーケンスを受信するように結合された複数の入力を有し、多重化された信号サンプルの複数のシーケンスを発生させるマルチプレクサであって、前記多重化された信号サンプルの前記複数のシーケンスにおけるほうが圧縮サンプルの前記対応する複数のシーケンスにおけるよりも少ないシーケンスになっている、マルチプレクサと、
前記多重化された信号サンプルの前記複数のシーケンスを受信するように結合された複数の入力を有し、信号プロセッサへ複数のデータポート用いて前記多重化された信号サンプルの複数のシーケンスを転送するためにシリアル化するシリアライザと、
を備える装置。
【請求項７】
前記データ転送インターフェイスから圧縮サンプルの複数のシーケンスを受け取りそして解凍サンプルを前記信号プロセッサへ与えるように結合された解凍器を更に備えた、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記信号プロセッサは、前記解凍サンプルにビーム成形オペレーションを適用する、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記デジタルインターフェイスから受け取られた圧縮サンプルを記憶するように結合されたメモリと、
前記メモリに結合され、前記記憶された圧縮サンプルを検索しそして解凍サンプルを前記信号プロセッサに与える解凍器と、
を更に備えた請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
複数のアナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）と圧縮器との間に結合された複数のダウンコンバータを更に備え、各ダウンコンバータは、対応するＡＤＣから信号サンプルのシーケンスを受け取り、そしてその信号サンプルのシーケンスを中間周波数又は基本帯域へ変換して、対応する圧縮ユニットに与えられるダウン変換信号サンプルのシーケンスを形成する請求項６に記載の装置。
【請求項１１】
前記圧縮器は、圧縮サンプルの複数のシーケンスをリアルタイムで発生する、請求項６に記載の装置。
【請求項１２】
前記解凍器は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）で具現化される、請求項７に記載の装置。
【請求項１３】
前記解凍器は、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）で少なくとも部分的に具現化される、請求項７に記載の装置。
【請求項１４】
サンプリング窓の間にＮ個のアナログ超音波信号を出力するＮ個の超音波トランスジューサ素子のアレイを含む超音波画像形成システムにおいて、
Ｎ個のアナログ超音波信号を受信するためのＮ個のアナログ入力と、デジタルインターフェイスにおけるＮ個のデータポートとを有する集積回路デバイスを備え、この集積回路デバイスは、
アナログ入力に受信されるＮ個のアナログ超音波信号をデジタルサンプリングして、サンプリング窓の間に信号サンプルのＮ個のシーケンスを発生するように結合されるＮ個のアナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）であって、各ＡＤＣが、対応するアナログ超音波信号をサンプリングして、信号サンプルの対応シーケンスを形成し、各信号サンプルがサンプル当たりあるビット数で表されるようなＡＤＣと、
ＭがＮより小さいとすれば、信号サンプルのＮ個のシーケンスを受信するように結合されたＮ個の入力を有しそして多重化された信号サンプルのＭ個のシーケンスを発生するマルチプレクサであって、このマルチプレクサは、各サンプル周期中のＮ個の信号サンプルのビットをＭ個のビットサブセットへとマッピングし、その各ビットサブセットは、デジタルインターフェイスにおけるＮ個のデータポートのうちのＭ個を経て信号プロセッサへ転送するために前記Ｍ個のシーケンスの対応する１つに与えられるようなマルチプレクサと、
を備えるようにされた装置。
【請求項１５】
前記データ転送インターフェイスから前記マルチプレクスされた信号サンプルのＭ個のチャンネルを受け取るように結合されたデマルチプレクサを更に備え、このデマルチプレクサは、Ｍ個のビットサブセットをデマッピングして、各サンプル周期中のＮ個の信号サンプルを再生し、そして信号サンプルのＮ個の再生シーケンスを前記信号プロセッサに与える、請求項１４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波トランスジューサにより受信された超音波信号データの圧縮に係り、より詳細には、超音波信号サンプルを、アナログ／デジタル変換の後であって且つビーム成形、検出及び画像形成の前に圧縮することに係る。
【背景技術】
【０００２】
医療用超音波システムは、臨床医により対象者に置かれたトランスジューサから超音波ビームを送信することにより対象者の体内解剖学的組織をスキャンする。超音波は、異なる音響インピーダンスを有する体内組織の界面で反射されて、エコーを発生する。トランスジューサは、エコーを受信して、電気的な超音波信号へ変換する。超音波システムは、超音波信号に一連の処理ステップを適用して、画像又は一連の画像を発生し、それらは、臨床医による分析のためにコントロールコンソールに表示される。受信したエコーの強度に基づき形成される画像は、Ｂモード画像と称される。更に、システムは、超音波信号のドップラーシフトを測定して、血液のような流体の流れを指示するカラー画像を発生すると共に、診断に有用な付加的な分析を遂行する。
【０００３】
従来の医療用超音波トランスジューサは、電気信号で駆動されたとき超音波を送信し、返送されるエコーを受信し、そしてその受信エコーを複数のアナログ信号へ変換する圧電素子のアレイを備えている。複数のアナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）がアナログ信号をサンプリングし、その各々がデジタル信号サンプルのストリームを発生する。信号サンプルの典型的なデジタル信号処理は、ビーム成形、ダウン変換、Ｂモード（輝度）処理及び／又はドップラー処理、スキャン変換、及び表示のための画像処理を含む。ビーム成形器は、信号サンプルのストリームを遅延し及び合成して、視野内の特定方向に対応するビーム成形サンプルのアレイを形成する。ビーム成形器は、視野内の多数の方向に対応するビーム成形サンプルの多数のアレイを発生することができる。次いで、望ましい診断情報のタイプに基づき、ビーム成形サンプルに対してＢモード処理及び／又はドップラー処理を遂行して、Ｂモード検出サンプル及び／又はドップラー検出サンプルを形成する。検出サンプルの空間的座標は、ビーム成形サンプルのビーム幾何学形状に依然対応する。スキャンコンバータが検出サンプルの座標変換を行って、表示に適したラスタフォーマットを有するデータのフレームを発生する。サンプルのフレームに付加的な画像処理を適用して、二次元（２Ｄ）又は三次元（３Ｄ）画像として表示できるようにする。
【０００４】
医療用超音波システムを改善するための現在の努力は、コンソール／カートシステムの診断能力を高めると共に、画質の改善された小型のポータブル装置を開発することに向けられる。ハイエンドのコンソール又はカートシステムについては、トランスジューサ素子の数を増加して、診断能力を拡張するための高い解像度及び／又は３Ｄ画像を発生することが望まれる。トランスジューサ素子の数を増加すると、トランスジューサヘッドからコンソールプロセッサへ通信されるデータの量が増加し、より広い帯域巾の通信チャンネル及びより大きなケーブル接続を要求する。トランスジューサヘッドのデータ取得能力は、操作及びフォームファクタの要件により制約を受ける。手持ち及びハンドヘルド型の超音波装置は、経済的なものであり、小規模な医院、移動処置ユニット及び家庭で使用するのに望ましいものである。これらの装置では、バッテリ寿命も制約となる。超音波システムにおいて超音波信号データをより効率的に処理し、転送し、記憶することで、電力、データ転送帯域巾及びメモリ容量を節約することができる。
【０００５】
超音波信号データの圧縮は、コンソール／カートシステム及びポータブルシステムの両方に利益をもたらすことができる。その利益とは、システムのデータ送信帯域巾、メモリ容量、及び電力要件を下げることを含む。ポータブル又は手持ち式超音波システムでは、この利益で、重量が減少され、バッテリ寿命が延びる。コンソールシステムの場合には、圧縮は、トランスジューサヘッドにより取得されるデータ量の増加及び超音波信号プロセッサへのデータの転送の影響を軽減する。計算効率のよい圧縮は、システムの複雑さへの影響がほとんど又は全くないという圧縮の利益をもたらす。
【０００６】
ここで使用する「圧縮」という語は、信号サンプルを表すビットの数が減少されそして信号サンプルがその後に表示のための処理の前に解凍されるという超音波信号サンプルのデータ圧縮を指す。超音波画像形成システムのある説明では、データ圧縮ではなく「パルス圧縮」を意味するように圧縮という語が使用される。パルス圧縮は、送信された超音波パルスのフィルタリング及び／又は変調と、受信した超音波パルスの逆フィルタリング及び／又は復調とを指す。（例えば、２００４年、Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、第４２巻、第１１０１−１１０９ページに掲載されたＶ．Ｂｅｈａｒ及びＤ．Ａｄａｍ著の“Parameter optimization of pulse compression in ultrasound imaging system with coded excitation”を参照されたい。）超音波画像形成システムのある説明では、データ圧縮ではなく「対数圧縮」を意味するように圧縮という語が使用される。この点について、対数圧縮は、処理された超音波データの対数、典型的に、表示の前の大きさ検出データを計算することを指す。（例えば、２００８年１１月、Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ＳＰＲＡＢ  １２、第１−２６ページに掲載されたＡ．Ｍｕｒｔａｚａ氏等の“Signal Processing Overview of Ultrasound Systems for Medical Imaging”を参照されたい。）パルス圧縮及び対数圧縮は、両方とも、時間ドメイン及び周波数ドメインにおいて送信又は受信超音波信号の特性を意図的に変更する。受信超音波信号サンプルのデータ圧縮に続いて解凍を行うことは、時間及び周波数ドメインにおいて信号特性を保存するプロセスである。ここでの説明は、超音波信号サンプルのロスレス及びロッシー圧縮を参照する。ロスレス圧縮では、解凍サンプルがオリジナルサンプルと同一の値を有する。ロッシー圧縮では、解凍サンプルがオリジナルサンプルと同様であるが、同一ではない。ここでの説明は、生、又は処理済みの、即ち表示のための超音波画像を形成するよう最終的に処理された、超音波データのアレイを指すために「フレーム」という語を使用する。又、従来の超音波画像形成システムの説明は、超音波データのフレームを指すために「スクリーン」という語を使用している。ここでの説明では、「リアルタイム」とは、デジタル信号のサンプルレートと少なくとも同程度に速いレートを意味する。「リアルタイム」という語は、デジタル信号の処理、転送及び記憶のためのレートを記述するのに使用することができる。サンプルレートとは、ＡＤＣがアナログ信号の変換中にデジタル信号のサンプルを形成するレートである。従来の超音波画像形成システムのある説明は、超音波画像を表示するためのフレームレートを指すために「リアルタイム」という語を使用する。ここでの説明は、リアルタイムを、フレームレートの解釈ではなく、サンプルレートに関連付ける。
【０００７】
超音波システムにおけるデータ圧縮の以前の適用は、画像成形のためのスキャン変換の前後に別のデータ圧縮を含ませている。２００１年１１月１３日に発行された“Ultrasonic Diagnostic Device”と題する米国特許第６，３１５，７２２号において、ヤエガシ氏は、ＡＤＣユニットから出力される超音波信号サンプルを記憶するための時間軸延長ユニットを述べている。時間軸延長ユニットは、ＡＤＣユニットから出力されるレートでデータを書き込み、そしてそれより低いレートでデータを読み出す。時間軸延長ユニットは、１つのスクリーン又はフレームに対して信号サンプルを記憶し、そして先入れ先出し（ＦＩＦＯ）メモリを使用して具現化される。時間軸延長ユニットから読み取られた信号サンプルをデータ圧縮ユニットで圧縮する。ヤエガシ氏は、１つのデータフレーム内の空間的相関を利用するための離散的コサイン変換（ＤＣＴ）に基づく方法、又は複数のデータフレームのためのＭＰＥＧ圧縮方法のような画像圧縮技術を適用することを述べている。（ＭＰＥＧとは、ムービングピクチャーエキスパートグループにより開発されたビデオデータ圧縮規格を指す。）圧縮されたサンプルは、ハードディスクのような大量メモリ装置に記憶される。データ圧縮は、大量メモリ装置に必要とされる記憶容量を減少する。画像の発生については、データ拡張ユニットが、大量メモリ装置から検索される圧縮サンプルを解凍する。フィルタリング、対数変換、検出及びデジタルスキャン変換を含む従来のオペレーションが、画像形成及び表示のために解凍サンプルに適用される。ヤエガシ氏は、処理シーケンスにおけるビーム成形については開示していない。
【０００８】
“Transducer Array Imaging System”と題する米国特許公告２００８／０１１４２４６号において、ランデール氏等は、ビーム成形の前及び／又は後にマッピング、再サンプリング及び／又はデータウインドウ化を使用して超音波デジタルデータを圧縮することを述べている。マッピングは、信号サンプルを再量子化又はクリッピングすることを含む。例えば、必要なビットの数は、深さと共に単調に減少し、深さに基づきサンプル当たりより少数のビットが指定される。ある実施形態では、送信及び受信アパーチャーを越えて延びる受信チャンネルからの信号サンプルを切断することができる。当該領域（ＲＯＩ）を画像形成するために、信号取得時間は、深さ範囲に比例し、最小サンプル時間の前及び／又は最大サンプル時間の後に取得されるデータは、それが画像ピクセルの形成に貢献しない場合には切断することができる。ある実施形態では、表示解像度が全解像度画像に必要なものより低い場合にはデータをより少数のサンプルへと再サンプリングし、転送されるサンプルの数を減少することができる。
【０００９】
２０００年３月２８日に発行された“Medical Diagnostic Ultrasound System and Method for Transform Ultrasound Processing”と題する米国特許第６，０４２，５４５号において、ホサック氏等は、ビーム成形後の超音波データに対する変換圧縮技術を述べている。ビーム成形の別の態様は、ＡＤＣの前のアナログビーム成形、又はＡＤＣの後のデジタルビーム成形を含む。ビーム成形器は、同相及び直角位相（Ｉ及びＱ）サンプルを発生するか、或いは又高周波（ＲＦ）サンプルを発生する。二次元（２Ｄ）フレームに対応するビーム成形サンプルは、変換ドメイン表現を発生するようにフィルタリング及び変換される。変換ドメインサンプルは、圧縮のために量子化及び／又はエンコードされる。圧縮は、ロスレス又はロッシーである。ＤＣＴ又は離散的ウェーブレット変換（ＤＷＴ）、量子化関数及びエンコーディング関数のような変換は、データのフレームを圧縮するのに適用される。例えば、ＪＰＥＧ圧縮は、データのフレームをデータの２Ｄブロックへ分割し、各ブロックに２Ｄ  ＤＣＴを使用して変換し、変換ドメインサンプルを量子化し、ブロック間でＤＣ（ゼロ周波数）変換サンプルを差動エンコーディングし、そして量子化変換ドメインサンプルの２Ｄブロックをエントロピーエンコーディング（例えば、ハフマンエンコーディング）することを含む。ＪＰＥＧ圧縮アルゴリズムは、ロッシー又はロスレスとして構成することができる。（ＪＰＥＧ圧縮とは、ジョイントフォトグラフィックエキスパートグループによって開発された標準画像圧縮方法を指す。）種々の画像処理機能のための変換ドメインにおける付加的なオペレーション、例えば、フィルタリングは、空間的ドメインより変換ドメインにおいて計算効率が高い。例えば、空間的ドメインにおける２Ｄフィルタリングは、２Ｄコンボリューションオペレーションを使用する。変換ドメインにおいて、２Ｄフィルタリングは、変換ドメインフィルタ係数による効率的な乗算を使用する。圧縮された変換ドメインデータは、後で画像形成のために記憶することができる。解凍については、表示のための処理の前に逆エンコーディング及び変換機能が適用される。
【００１０】
２００５年２月１５日に発行された“Diagnostic Information Generation Apparatus and Ultrasonic Diagnostic System”と題する米国特許第６，８５５，１１３号において、アメミヤ氏等は、超音波ユニットから情報ユニットへワイヤレス送信する前に超音波データのフレームを圧縮することを述べている。超音波ユニットは、トランスジューサと、その後のビーム成形、Ｂモード画像形成及びドップラー画像形成のためのプロセッサとを備えている。汎用のデータ圧縮規格、例えば、単一フレームについてはＪＰＥＧ圧縮、又は複数のフレームについてはＭＰＥＧ圧縮が、Ｂモード画像形成データ又はドップラー画像形成データに適用される。圧縮されたデータは、標準ワイヤレス通信モードを使用して情報ユニットへ送信される。情報ユニットは、受信したデータを圧縮規格に基づいて解凍する中央処理ユニット（ＣＰＵ）を備えている。ＣＰＵは、更に、解凍されたＢモード画像形成データ及び解凍されたドップラー画像形成データを表示のために処理する。
【００１１】
１９９７年３月２０日に公告された“Ultrasonic Diagnostic Apparatus for Compressing and Storing Data in CINE Memory”と題するＰＣＴ出願公告、国際公告番号ＷＯ９７／０９９３０において、リー氏は、ＣＩＮＥメモリに記憶する前に超音波データを圧縮しそしてＣＩＮＥメモリから検索されたデータを解凍することを述べている。ＣＩＮＥメモリは、時間により編成される多数のバンクを含む。このシステムでは、超音波プローブがＡＤＣの前でビーム成形を行い、従って、ＡＤＣの出力データは、ビーム成形されたサンプルを表す。圧縮は、データのフレームに適用され、そしてスキャン変換の前又は後に適用することができる。Ｌｅｍｐｅｌ−Ｚｉｖ−Ｗｅｌｃｈ（ＬＺＷ）アルゴリズムが圧縮及び解凍に適用される。このＬＺＷアルゴリズムは、データにおけるビットの繰り返しパターンを検出しそしてその繰り返しパターンにコードを指定することに基づく。ＣＩＮＥメモリから検索されたフレームに対する圧縮データは、解凍され、そして表示のために更に処理される。
【００１２】
２００５年３月３１日に公告された“Ultrasonograph and Ultrasonic Data Compression Method”と題する日本国特許出願、公告番号２００５−０８１０８２号において、アキヒロ氏は、アナログビーム成形後に超音波データを圧縮するための３つの実施形態を述べている。第１の実施形態において、ＡＤＣは、アナログビーム成形器出力信号のＩ及びＱサンプルを発生する。圧縮器は、隣接ビームのＩ、Ｑサンプル間の差を計算し、それに続いて、その差をラン長さエンコーディングし、圧縮データを形成する。圧縮データは、メモリに記憶される。メモリから検索された圧縮データは、解凍され、そして画像表示のために処理される。第２の実施形態において、ＡＤＣは、アナログビーム成形出力サンプルのＲＦサンプルを発生する。圧縮器は、隣接ビームのＲＦサンプル間の差を計算し、その後、ラン長さエンコーディングを行う。圧縮されたサンプルは、メモリに記憶され、検索され、解凍され、そして画像表示のために処理される。第３の実施形態において、ビーム成形器の出力は、圧縮の前にＢモード画像フレーム及びドップラー画像フレームを発生するように更に処理される。圧縮器は、フレーム対フレームの差を計算して、圧縮されたデータフレームを発生する。圧縮されたデータフレームは、メモリに記憶され、検索され、解凍され、そして表示のために更に処理される。
【００１３】
１９８８年６月２１日に発行された“Ultrasonic Bloodstream Diagnostic Apparatus with Dual Displays of Velocity Profiles and Average Flow Velocity”と題する米国特許第４，７５１，９２９号において、ハヤカワ氏等は、ドップラー周波数検出データを圧縮することを述べている。圧縮器は、周波数スペクトルサンプルの実数部及び虚数部の２乗の大きさを計算する平方・加算回路の出力に対して動作する。圧縮器は、加算器からの各サンプル出力のビットを再エンコードして、表現におけるビット数を減少する。圧縮器は、加算器出力サンプルに対して動作して、仮数における最上位ビットの位置をエンコードし、固定数の最上位ビットを保存し、そして残りの最下位ビットを除去する。それにより各サンプルに対して得られる圧縮ワードは、固定数の最上位ビットと、オリジナルサンプルから除去される最下位ビットの数を示すコードとを含む。各サンプルから可変数の最下位ビットが除去され、従って、圧縮は、ロッシーである。
【００１４】
１９９８年Proc. Intl. Conf. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society、第２０巻、第３号、第１２７４−７６ページに掲載された“A Novel B-Mode Ultrasound Image Compression Method Based on Beam Forming Data”と題する論文において、リー氏等は、ビーム成形サンプルをテレ超音波システムにおいて送信するために圧縮することを述べている。１２８ｘ５１２個のビーム成形サンプルのフレームにＤＷＴが適用される。垂直方向におけるサブ画像の係数が、演算コード化を使用して量子化されエンコードされる。解凍の後、１２８ｘ５１２個の解凍されたサンプルのフレームにスキャン変換を適用して、５１２ｘ５１２個のサンプルのフレームを表示のために形成する。
【００１５】
画像形成のためにスキャン変換後に超音波画像を圧縮するための異なる方法が多数の論文に掲載されている。幾つかの例は、次のものを含む。２００１年Proc. 23rd Annual IEEE Engineering in Medicine and Biology Society Intl. Conf.、第２４６１−６４ページに掲載された“Comparative Survey of Ultrasound Images Compression Methods Dedicated to a Tele-Echography Robotic System”と題する論文において、デルゴージ氏等は、超音波画像に異なる圧縮方法を適用することを述べている。これらの方法は、フーリエ変換、ＤＣＴ、クオドツリー解凍、ＤＷＴ、フラクタル、ヒストグラムスレッシュホールド、及びラン長さコード化を含む。これらの方法は、スキャン変換後に５１２ｘ５１２個の超音波画像に適用される。２００５年６月、IEEE Trans. Medical Imaging、第２４巻、第６号、第７４３−５４ページに掲載された“Despeckling of Medical Ultrasound Images Using Data and Rate Adaptive Lossy Compression”と題する論文において、グプタ氏等は、圧縮を、超音波画像から斑点を除去するアルゴリズムと組み合わせることを述べている。ＤＷＴに続いて、斑点除去アルゴリズム、量子化及びエントロピーエンコーディングが行われる。２００５年３月、IEEE Trans. Information Technology in Biomedicine、第９巻、第１号、第５０−５８ページに掲載された“A Tele-Operated Mobile Ultrasound Scanner Using a Light-Weight Robot”と題する論文において、デルゴージ氏等は、種々のロスレス及びロッシー圧縮方法を超音波画像に適用することを述べている。ロスレス方法は、ハフマン、演算コード化、Ｌｅｍｐｅｌ−Ｚｉｖ、ラン長さコード化、及びＦａｎｏコード化を含む。ロッシー方法は、ＪＰＥＧ、ＪＰＥＧ−ＬＳ及びＪＰＥＧ２０００を含む種々のＪＰＥＧバージョンを包含する。１９９７年６月、IEEE Signal Processing Letters、第４巻、第６号、第１５６−７ページに掲載された“Maximum Likelihood Motion Estimation in Ultrasound Image Sequence”と題する論文において、ストリンツイス氏等は、一連の超音波画像にＭＰＥＧ圧縮を適用することを述べている。この方法は、一連の画像内の連続フレーム間でピクセルの８ｘ８ブロックに対して運動ベクトルを検出することを含む。運動ベクトルは、フレーム対フレームのＭＰＥＧ圧縮に対してエンコードされる。
【００１６】
２００６年３月７日付の“Adaptive Compression and Decompression of Band limited Signals”と題する共通所有の米国特許第７，００９，５３３号（‘５３３特許）は、ある帯域制限信号の圧縮及び解凍のためのアルゴリズムを述べている。２００７年８月８日付の“Enhanced Data Converters Using Compression and Decompression”と題する共通所有の米国特許第７，０８８，２７６号（‘２７６特許）は、単一の集積回路において具現化されたＡＤＣから出力された信号サンプルにロスレス又はロッシー圧縮を適用することを述べている。２００８年５月１５日に出願された“Digital Interface for Data Converters”と題する共通所有の同時係争中の米国特許出願第１２／１２０９８８号（‘９８８出願）は、複数のＡＤＣから出力されたデータをマルチプレクスして、デジタルインターフェイスにおけるアクティブなデータポートの数を減少することを述べている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
超音波画像形成システムのコンポーネント間で超音波信号データを効率的にデータ転送及び記憶する必要がある。又、システムの複雑さへの影響を最少にしてデータ転送及び記憶容量を改善するために超音波信号データを計算上効率的にデータ圧縮する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の実施形態は、以上の従来の問題を考慮してなされたものである。本発明の目的は、超音波画像形成システムにおいてアナログ／デジタル変換後に超音波信号サンプルを圧縮することである。超音波画像形成システムは、サンプリング窓の間に複数のアナログ超音波信号を出力する超音波トランスジューサ素子のアレイを備えている。方法は、
アナログ／デジタルコンバータを使用して複数のアナログ超音波信号をデジタルサンプリングして信号サンプルの複数のシーケンスを発生する段階であって、信号サンプルの各シーケンスがサンプリング窓の間に対応するトランスジューサ素子により出力されるアナログ超音波信号を表すような段階と、
信号サンプルの複数のシーケンスを圧縮して、圧縮サンプルの複数の対応シーケンスを形成する段階であって、信号サンプルの複数のシーケンスにおける信号サンプルの特定のシーケンスを、前記サンプリング窓の間に他のトランスジューサ素子から出力されるアナログ超音波信号を表す信号サンプルとは独立して圧縮して、圧縮サンプルの対応シーケンスを形成することを含むような段階と、
圧縮サンプルの複数の対応シーケンスを、データ転送インターフェイスを横切って信号プロセッサへ転送する段階と、
を備えている。
【００１９】
圧縮サンプルは、ビーム成形又は他の超音波信号処理オペレーションの前に解凍される。
【００２０】
本発明の別の目的は、超音波画像形成システムにおいてアナログ超音波信号のアナログ／デジタル変換の後に超音波信号サンプルを圧縮するための装置を提供することである。超音波画像形成システムは、サンプリング窓の間に複数のアナログ超音波信号を出力する超音波トランスジューサ素子のアレイを備えている。この装置は、複数のアナログ超音波信号を受信するための複数のアナログ入力と、デジタルインターフェイスにおける複数のデータポートとを有する集積回路デバイスを備え、この集積回路デバイスは、
アナログ入力に受信される複数のアナログ超音波信号をデジタルサンプリングして、サンプリング窓の間に信号サンプルの複数のシーケンスを発生するように結合される複数のＡＤＣであって、各ＡＤＣが、対応するトランスジューサ素子により出力される対応するアナログ超音波信号をサンプリングして、信号サンプルの対応シーケンスを形成するような複数のＡＤＣと、
信号サンプルの複数のシーケンスを受信するように結合された複数の入力を有しそして圧縮サンプルの複数のシーケンスを発生する圧縮器であって、この圧縮器は、複数の圧縮ユニットを含み、対応する圧縮ユニットが、信号サンプルの対応シーケンスを、前記サンプリング窓の間に他のトランスジューサ素子から出力されるアナログ超音波信号を表す信号サンプルとは独立して圧縮して、圧縮サンプルの対応シーケンスを形成し、更に、圧縮サンプルの複数のシーケンスが、デジタルインターフェイスを経て信号プロセッサへ転送するために複数のデータポートに与えられるような圧縮器と、
を備えている。
【００２１】
本発明の別の態様は、データポートの過剰なデータ転送帯域巾を利用し、少数のデータポートを使用して、デジタルインターフェイスを経て圧縮サンプルを転送する。圧縮サンプルのシーケンスをマルチプレクスし、少数のデータポートを使用して転送できる少数のシーケンスを形成することができる。
【００２２】
本発明の別の態様は、データポートの過剰なデータ転送帯域巾を利用し、少数のデータポートを使用して、デジタルインターフェイスを経て解凍した超音波信号サンプルを転送する。複数のＡＤＣから出力される信号サンプルのビットレートがデータポートの最大データ転送帯域巾より充分小さいときには、解凍信号サンプルのシーケンスをマルチプレクスして、少数のデータポートを使用して転送できる少数のシーケンスを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来技術による典型的な医療用超音波システムの一例を示すブロック図である。
【図２】従来技術による超音波信号プロセッサ１３０のブロック図である。
【図３】従来技術によるビーム成形前の超音波信号サンプルのプロットである。
【図４】従来技術による１つのビーム成形出力チャンネルに対応するビーム成形超音波信号の同相サンプルのプロットである。
【図５】好ましい実施形態によりＡＤＣのバンクから出力される信号サンプルを圧縮することを含む超音波システムのブロック図である。
【図６】別の構成により超音波信号サンプルを圧縮しそしてその圧縮したサンプルをキャプチャーメモリに記憶することを含む超音波システムのブロック図である。
【図７】別の構成により圧縮サンプルがビーム成形器メモリに記憶される超音波システムのブロック図である。
【図８】圧縮サンプルを、少数のデータポートを横切って転送するためにマルチプレクスすることを含む超音波システムのブロック図である。
【図９】ＡＤＣ出力にポートコンセントレーションを適用する超音波システムのブロック図である。
【図１０Ａ】１６個のＡＤＣからデータを転送するために１２個のデータポートを含むポートコンセントレーション構成のブロック図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａの構成に対して１つのサンプル周期中にデータポート２７０に与えられるビットの配列を示す。
【図１１】信号サンプルの元のシーケンスを回復するためにポートコンセントレーションから生じる受信されマルチプレクスされたビットストリームを再順序付けするブロック図である。
【図１２】Ｎ＿ＧＲＯＵＰ＝４であるブロックフローティングポイントエンコーダのブロック図である。
【図１３】エンコーディングのための信号サンプルのｎ＿ｂｉｔを選択する一例を示す。
【図１４】減少された仮数を表すためのビットを選択する一例を示す。
【図１５】ｎ＿ｅｘｐ、ｎ＿ＬＳＢ及びｍ＿ｅｘｐの規範的な値のテーブルである。
【図１６】減少された仮数を使用するブロックフローティングポイントエンコーディングのブロック図である。
【図１７】差の演算を含む圧縮ユニット２１０ｉのブロック図である。
【図１８】解凍器のブロック図である。
【図１９】異なる中心周波数をもつ信号サンプルを圧縮するための原理に基づく別々の例を示す。
【図２０】信号サンプルの中心周波数に基づく圧縮アルゴリズムのブロック図である。
【図２１】中心周波数に基づき変更サンプルを発生するオペレーションを示す。
【図２２】図１９の例に対する信号サンプルｘ（ｉ）及びｘ（ｉ−ｊ）の和又は差を示す。
【図２３】図２０を参照して述べた圧縮器に対して解凍器により遂行されるオペレーションのブロック図である。
【図２４】解凍器のＧＰＵにおける具現化、及び超音波画像を発生するための他のオペレーションを示すブロック図である。
【図２５】解凍器のＣＰＵ／ＧＰＵ装置における具現化、及び超音波画像を発生するための他のオペレーションを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、従来技術による典型的な医療用超音波システムの一例を示すブロック図である。送信ビーム成形器１０４は、デジタル又はアナログビーム成形器のような既知の構造のものである。送信ビーム成形器１０４は、システムコントローラ１０２に応答して１つ以上の励起信号を発生する。励起信号は、典型的に、１ないし２０ＭＨｚ範囲の関連中心周波数を有する。送信ビーム成形器１０４からの励起信号は、送信／受信スイッチ１１２を経て超音波トランスジューサ１１０に与えられる。超音波トランスジューサ１１０は、トランスジューサ素子１１０ｉのアレイを含む。超音波トランスジューサ１１０は、検査を受ける対象者に超音波を結合できるようにする既知の構造のものである。トランスジューサ素子１１０ｉは、超音波の発射及び受信の両方を行う。送信／受信スイッチ１１２は、送信及び受信モードのためのスイッチング回路を含む。送信モードでは、送信／受信スイッチ１１２は、送信ビーム成形器１０４からの励起信号をトランスジューサ１１０へ結合する。受信モードでは、送信／受信スイッチ１１２は、トランスジューサ１１０から受信した超音波信号をアナログフロントエンド（ＡＦＥ）１１４へ結合する。送信の場合に、トランスジューサ素子１１０ｉは、励起信号を変換して、超音波音響波形を発生する。特に、トランスジューサ１１０は、送信ビーム成形器１０４に応答して、励起信号を、対象者内をある方向に進行する超音波波形へ変換する。異なる音響インピーダンスを伴う界面を有する散乱場所で超音波波形を反射させて、トランスジューサ１１０へエコーを返送させる。複数のトランスジューサ素子１１０ｉがエコーを受信して、複数のアナログ超音波信号へと変換する。送信／受信スイッチ１１２は、トランスジューサ１１０からの複数のアナログ超音波信号をサンプリング窓間にＡＦＥ１１４へ結合する。サンプリング窓は、受信したエコーが対象者の望ましい深さ範囲内の散乱場所からの反射を表すところの時間インターバルに対応する。コントローラ１０２は、ユーザ入力又はスキャンプロトコルに従ってサンプリング窓をセットし、そして送信／受信スイッチ１１２にタイミングコントロール情報を与える。送信／受信スイッチ１１２は、サンプリング窓間に複数のアナログ超音波信号を並列に出力する。ＡＦＥ１１４は、アナログ／デジタル変換のための準備として複数のアナログ超音波信号を増幅しそしてフィルタリングする。ＡＦＥ１１４は、各アナログ信号チャンネル１１３ｉに対して、低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）、可変利得増幅器（ＶＧＡ）及びローパスフィルタを含むことができる。ＶＧＡは、受信信号強度が時間と共に減少するので、時間の関数として利得を増加する利得プロフィールを適用する。時間に伴う信号強度の低下は、超音波がより多くの組織を通してより長い距離進行するにつれて減衰することから生じる。ＡＤＣバンク１２０は、サンプリング窓の間に受信した複数のアナログ超音波信号を、並列の超音波信号サンプルの複数のシーケンスへ変換するための複数のＡＤＣを備えている。各ＡＤＣ入力チャンネル１１５ｉにおけるアナログ超音波信号は、それに対応するＡＤＣ出力チャンネル１２１ｉにおける超音波信号サンプルのストリームへと変換される。超音波信号サンプルは、トランスジューサの圧電材料の固有の共振周波数に関連した受信超音波信号の高周波（ＲＦ）に典型的に対応する非ゼロの中心周波数を有する。
【００２５】
超音波信号プロセッサ１３０は、ビーム成形、ダウン変換、Ｂモード処理、及び／又はドップラー処理を含めて、超音波信号サンプルから診断情報を抽出するオペレーションを遂行し、これについては図２を参照して更に説明する。超音波信号プロセッサ１３０は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、マイクロプロセッサ、又はコンピュータのＣＰＵのような１つ以上のプロセッサで具現化することができる。スキャンコンバータ１４０は、処理されたサンプルのフレームの座標変換を遂行して、ラスタ（直線）フォーマットを有する超音波画像サンプルのフレームを発生する。画像プロセッサ１５０は、付加的な画像向上オペレーションを超音波画像サンプルに適用することができる。ディスプレイ１６０は、ユーザにより分析するための２次元又は３次元画像を与える。
【００２６】
図２は、従来技術による超音波信号プロセッサ１３０のブロック図である。医療用超音波システムは、ＡＤＣバンク１２０から出力されたＲＦ超音波信号サンプルに対してデジタルビーム成形オペレーションを遂行することができる。受信ビーム成形器１６０は、遅延、アポダイゼーション（減衰）及び加算オペレーションを超音波信号サンプルに適用して、視野内の特定の方向に対応するビーム成形サンプル又はビームの１Ｄアレイを形成する。受信ビーム成形器１６０は、視野内の多数の方向に対応するビーム成形サンプルの多数の１Ｄアレイを発生する。受信ビーム成形器１６０は、表示のための超音波信号サンプル及びビーム成形（ＢＦ）計算器１６４の加算オペレーションを記憶するためにビーム成形器（ＢＦ）メモリ１６２を備えている。ＢＦ計算器１６４は、同じ受信パルスに対してＢＦメモリ１６２から検索された超音波信号サンプルを使用して複数のビームを成形することができる。又、ＢＦ計算器１６４は、補間を隣接超音波信号サンプルに適用して、計算されるビームの位相解像度を改善することができる。又、受信ビーム成形器１６０は、加算オペレーションの前にサンプルに重み付け関数を適用して、空間的窓機能又はアポダイゼーションを具現化することができる。各角度に対して計算されたビーム成形サンプルは、それに対応するビーム成形器出力チャンネル１６１ｉに与えられる。受信ビーム成形器１６０は、典型的に、ＡＤＣ出力チャンネル１２１ｉより成る入力チャンネルより少ない出力チャンネル１６１ｉを有する。この構成では、ビーム成形サンプルは、ＲＦ中心周波数を有する。デジタルダウンコンバータ（ＤＤＣ）１７０は、ビーム成形サンプルを基本帯域へと復調し、各ビームに対する複雑な基本帯域Ｉ及びＱサンプルを発生する。ＤＤＣ１７０とは別に又はそれに加えて、希望の周波数を中心とする周波数帯域でビーム成形サンプルにバンドパスフィルタを適用することもできるし、又はＤＤＣ１７０がビーム成形サンプルを基本帯域ではなくて中間周波（ＩＦ）へ復調することもできる。この技術の別のアーキテクチャーは、アナログ／デジタル変換の前にアナログビーム成形を行い、そしてビーム成形の前に超音波信号サンプルのデジタルダウン変換を行うことを含む。
【００２７】
診断情報プロセッサ１８０は、希望のタイプの超音波画像のためにＩ、Ｑサンプルに対して適当なオペレーションを遂行する。Ｂモード処理は、エコー信号の強度を表す情報を発生する。Ｉ、Ｑサンプルの大きさは、Ｂモード画像のための検出サンプルを形成するように計算することができる。ドップラー処理は、Ｉ、Ｑサンプルから速度、速度の偏差、及びエネルギーを推定して、ドップラー検出サンプルを形成する。Ｂモード検出サンプル及びドップラー検出サンプルの空間的座標は、ビーム成形サンプルの幾何学形状に対応する。スキャンコンバータ１４０は、検出サンプルの座標変換を遂行して、表示に適したラスタフォーマットを有するデータのフレームを発生する。画像プロセッサ１５０は、サンプルのフレームの付加的な画像処理を、表示の前に、２次元又は３次元画像として遂行する。
【００２８】
図３は、ビーム成形の前の超音波信号サンプルのプロットである。このプロットは、ＡＤＣアレイの１つのＡＤＣによってサンプリングされた４つのパルスエコーに対する同相サンプルを表示するものである。この例では、ビーム成形の前に、ＡＤＣから出力された超音波信号サンプルにデジタルダウン変換が適用されて、Ｉ、Ｑサンプルを形成している。図４は、１つのビーム成形出力チャンネルに対応するビーム成形超音波信号の同相サンプルのプロットである。この例では、ビーム成形器は、遅延及び重み付け関数をＩ、Ｑサンプルに適用することにより複数のＡＤＣから出力されたＩ、Ｑサンプルの複数のシーケンスを合成する。
【００２９】
図５は、好ましい実施形態により、ＡＤＣ１２０のバンクから出力される超音波信号サンプルを圧縮することを含む超音波システムのブロック図である。圧縮器２１０は、複数の圧縮ユニット２１０ｉを備えている。複数の圧縮ユニット２１０ｉは、各トランスジューサ素子（例えば、図１の１１０ｉ）から出力されるアナログ超音波信号を表す信号サンプルの複数のシーケンスを圧縮して、圧縮サンプルの複数のシーケンスを圧縮器出力２１１ｉに形成する。圧縮ユニット２１０ｉは、サンプリング窓の間に対応トランスジューサ素子１１０ｉから出力されるアナログ超音波信号を表す対応ＡＤＣ１２０ｉのＡＤＣ出力１２１ｉからの信号サンプルのシーケンスを受信し、ここで、サンプリング窓は、アナログ超音波信号が、対象物の対応深さ範囲から反射されるエコーを表すところの時間インターバルである。圧縮ユニット２１０ｉは、その入力における信号サンプルの特定のシーケンスに、同じサンプリング窓の間に他のトランスジューサ素子から出力されるアナログ超音波信号を表す信号サンプルとは独立して圧縮オペレーションを適用して、圧縮サンプルの対応シーケンスを圧縮器出力２１１ｉに発生する。或いは又、圧縮ユニット２１０ｉは、２つ以上のＡＤＣからのサンプルを圧縮してもよく、この場合、特定のＡＤＣ１２０ｉからの信号サンプルは、同じサンプリング窓の間に他のトランスジューサ素子から出力されるアナログ超音波信号を表す信号サンプルとは独立して圧縮される。ここでの説明は、各ＡＤＣ１２０ｉが実数値サンプルのシーケンスを発生することを仮定している。或いは又、ＡＤＣ１２０ｉが直角位相サンプリングを遂行して、Ｉ及びＱサンプルのシーケンスを各ＡＤＣ出力１２１ｉに発生する場合には、Ｉ、Ｑサンプルの各シーケンスが独立して圧縮される。圧縮は、ビーム成形の前に、超音波信号サンプルに適用される。圧縮されたサンプルは、デジタルインターフェイス２２０を横切って超音波信号プロセッサ１３０へ転送され、そこで、超音波処理オペレーションのために解凍される。圧縮サンプルを転送するためにデジタルインターフェイス２２０に必要とされるデータ転送帯域巾は、非圧縮の超音波信号サンプルのストリームを転送するための帯域巾に比して減少される。
【００３０】
図６は、別の構成により超音波信号サンプルを圧縮しそしてその圧縮したサンプルをキャプチャーメモリに記憶することを含む超音波システムのブロック図である。デジタルインターフェイス２２０を横切って転送された後に、圧縮サンプルは、キャプチャーメモリ２３０に記憶される。圧縮サンプルを記憶するのに充分なキャプチャーメモリ２３０の容量が減少され、従って、システムリソースが保存される。解凍器２４０は、キャプチャーメモリから検索された圧縮サンプルを解凍する。受信ビーム成形器１６０は、解凍されたサンプルにビーム成形オペレーションを適用して、ビーム成形されたサンプルのシーケンスを各ビーム成形出力チャンネル１６１ｉに形成する。図２を参照して述べたように、解凍されたサンプルには、ビーム成形オペレーションの前に、デジタルダウン変換及び／又はフィルタリングを適用することができる。
【００３１】
図７は、別の構成により圧縮サンプルがビーム成形器メモリに記憶される超音波システムのブロック図である。受信ビーム成形器１６０は、ビーム成形器（ＢＦ）メモリ１６２に圧縮サンプルを記憶し、そしてビーム成形オペレーションのために必要に応じて圧縮サンプルを検索する。解凍器２４０は、ＢＦメモリから検索された圧縮サンプルを処理し、そして解凍したサンプルをＢＦ計算器１６４に与える。ＢＦ計算器１６４は、ビーム成形オペレーションを解凍サンプルに適用する。又、ＢＦ計算器１６４は、図２を参照して述べたように、空間的フィルタリングのために解凍サンプルに対して付加的なオペレーションを遂行することもできる。
【００３２】
圧縮サンプルは、サンプル当たりのビットが元の超音波信号サンプルより少ないので、圧縮サンプルは、非圧縮サンプルより少数のデータポートを使用してデジタルインターフェイス２２０を横切って転送することができる。図８は、圧縮サンプルを、少数のデータポートを横切って転送するためにマルチプレクスすることを含む超音波システムのブロック図である。この例では、ＡＤＣバンク１２０は、Ｎ個のＡＤＣ１２０ｉ、ＡＤＣ１からＡＤＣＮを含み、Ｎ個のＡＤＣ出力チャンネル１２０ｉ、Ｘ1からＸNに信号サンプルのストリームを発生する。圧縮ユニット２１０ｉは、Ｎ個の圧縮器出力２１１ｉ、Ｙ1からＹNに圧縮サンプルの対応ストリームを発生する。圧縮サンプルは、減少ビットレートを有し、データポート２７０ｉに与えられる。好ましくは、データポート２７０ｉは、低電圧の差動シグナリング（ＬＶＤＳ）データ送信を与える。或いは又、データポート２７０ｉは、データ送信のためにシリアライザ／デシリアライザ（ＳｅｒＤｅｓ）インターフェイスを使用することもできる。ナショナルセミコンダクタ社により２００８年１月に出版された“LVDS Owner’s Manual Including High-Speed CML and Signal Conditioning”と題する文書、第４版には、ＬＶＤＳ装置及びアーキテクチャーが記述されている。ＬＶＤＳデータ送信は、３．１２５Ｇｂｐｓの最大データ転送レート、低ノイズ及び低電力消費を含む望ましい特性を有する。差動シグナリングは、正の差動出力について１つ及び負の差動出力について１つの、２つのＩ／Ｏピンをチャンネル出力当たりに要求し、これは、ＬＶＤＳ対と称される。データポート２７０ｉは、圧縮器出力Ｙiにおける圧縮サンプルのビットレートがポートの最大データ転送レートより低いときには、過剰な帯域巾を有する。この過剰な帯域巾は、所与のデータポート２７０ｉを経て転送するために圧縮サンプルの複数のストリームを合成することにより利用することができる。マルチプレクサ２５０は、Ｍ＜Ｎとすれば、圧縮サンプルのＮ個のシーケンスを合成して、Ｍ個のデータポート２７０ｉを経て転送するためのマルチプレクスされた圧縮サンプルのＭ個のシーケンスを形成する。合成することのできる圧縮サンプルストリームの数は、データ転送ポート２７０ｉの帯域巾により制限される。例えば、Ｎ＝１６  ＡＤＣで、各ＡＤＣが、５０メガサンプル／秒（Ｍｓｐｓ）のサンプルレートにおいてサンプル当たり１２ビットで超音波信号サンプルを発生する場合に、各ＡＤＣ出力チャンネル１２１ｉのビットレートは、６００Ｍｂｐｓとなる。データポート２７０ｉは、データ転送レートが８００Ｍｂｐｓまでであり、そして圧縮器２１０は、３：１の圧縮比を発生すると仮定する。圧縮器出力１２１ｉにおける圧縮サンプルシーケンスＹiは、ビットレートが２００Ｍｂｐｓである。このケースでは、１つのデータポート２７０ｉは、４つの圧縮器出力から８００Ｍｂｐｓのデータ転送レートで圧縮サンプルを転送するのに充分な帯域巾を有する。この例では、マルチプレクサ２５０は、４つの圧縮シーケンスＹi、Ｙi+1、Ｙi+2及びＹi+3のグループからの圧縮サンプルを合成して、マルチプレクスされた圧縮サンプルＺjの対応シーケンスを１つのマルチプレクサ出力２５１ｉに形成する。���の例では、マルチプレクスされた圧縮サンプルのシーケンス及びそれに対応するアクティブなデータポートの数は、Ｍ＝Ｎ／４＝４である。シリアライザ２６０は、ビットのシーケンスを対応データポート２７０ｉに与える。
【００３３】
圧縮サンプルをマルチプレクスしてＭ個のデータポートを使用する効果は、より少数の物理的データポートを使用することを含み、これは、次いで、データポートの接続及び電力消費を減少する。圧縮サンプルのビットレートが固定である用途では、マルチプレクサ２５０は、固定数の物理的データポート２７０ｉに対して固定数のマルチプレクサ出力２５１ｉを有する。或いは又、融通性のあるアーキテクチャーは、圧縮サンプルのビットレートに基づいて可変数のアクティブなデータポートをサポートすることができる。融通性のあるアーキテクチャーでは、圧縮器２１０は、ユーザ選択可能な圧縮比パラメータに基づく種々のビットレートで圧縮サンプルを与える。圧縮コントローラ（図８には示されていない）は、オペレーションが希望の圧縮比に対応するビットレートで圧縮サンプルを発生するように、圧縮コントロールパラメータを圧縮ユニット２１０ｉに与える。圧縮コントローラは、マルチプレクサ出力２５１ｉに発生すべきマルチプレクスされた圧縮サンプルのシーケンスの数を指示するためにマルチプレクスコントロールパラメータをマルチプレクサ２５０に与える。又、圧縮コントローラは、ユーザ入力に応答して、インアクティブなデータポートを電源オフにし、電力を更に保存することができる。
【００３４】
又、データポート２７０ｉが、信号サンプルを圧縮しなくても、サンプルレート及びビット／サンプルのある値に対して過剰な帯域巾をもつことも考えられる。データポート２７０ｉは、サンプルレートとビット／サンプルの数値との積が、データポート２７０ｉの最大データ転送レートより低いビットレートをＡＤＣ出力１２１ｉに生じるときに、過剰帯域巾を有する。例えば、ＡＤＣのクロック周波数が、５０Ｍｓｐｓに対応する５０メガヘルツ（ＭＨｚ）であり、そしてサンプル巾が１２ビット／サンプルであって、各ＡＤＣ１２０ｉが６００メガビット／秒（Ｍｂｐｓ）を発生すると仮定する。データ転送レートは、各データポート２７０ｉに対して６００Ｍｂｐｓとなる。８００Ｍｂｐｓの最大データ転送レートを有するＬＶＤＳポートでは、各ポートに対して２００Ｍｂｐｓの未使用帯域巾がある。データポート２７０ｉは、ＬＶＤＳインターフェイスが一定電流（従って、一定電力）リンクであるから、６００Ｍｂｐｓでデータを転送するのに、８００Ｍｂｐｓの全容量でデータを転送する場合と同じ量の電力を消費する。ポートコンセントレーションは、複数のＡＤＣ出力からのビットを合成しそしてその合成したデータを、より少数のポートを経てより速いレートで送信することにより、過剰なデータ転送容量を利用する。各データポートは、その合成データを、ＡＤＣビットレートより高く且つ各データポート２７０ｉレートの最大データ転送レートまでのレートで送信する。
【００３５】
図９は、ＡＤＣ出力１２１ｉにポートコンセントレーションを適用する超音波システムのブロック図である。Ｎ個のＡＤＣ出力Ｘ1からＸNにおける超音波信号サンプルのＮ個のシーケンスがマルチプレクサ２５２へ入力される。マルチプレクサ２５２は、Ｍ＜Ｎとすれば、ＡＤＣ出力のグループからのサンプルを合成して、マルチプレクスされた信号サンプルＲ1からＲMのＭ個のチャンネルを形成する。各チャンネルＲiは、そのビットレートが、ＡＤＣ出力１２１ｉにおけるＡＤＣビットレートより高いが、データポート２７０ｉの最大データ転送レート（ビット／秒）以下である。マルチプレクサ２５０は、各サンプル周期に対するＮ個の信号サンプルのビットをＭ個のビットサブセットへとマップすることによりサンプルを合成する。シリアライザ２６２は、対応するデータポート２７０ｉにより転送するためのビットのサブセットの各々をシリアル化する。更に、ＡＤＣの数Ｎが１６である前記例について考える。６００ＭｂｐｓのＡＤＣビットレートで１６個のＡＤＣ１２０ｉから出力される信号サンプルは、各々８００Ｍｂｐｓのビットレートの１２ビットストリームへと合成することができる。１２個のアクティブなデータポート２７０ｉは、１２ビットストリームを各々８００Ｍｂｐｓのデータ転送レート（８００Ｍｂｐｓｘ１２＝６００Ｍｂｐｓｘ１６）で転送する。サンプルレート、ビット／サンプルの数値、及び最大データ転送レートに基づいて、多数の構成が考えられる。
【００３６】
図１０Ａは、１６個のＡＤＣからデータを転送するために１２個のデータポートを含むポートコンセントレーション構成のブロック図である。この構成は、５０ＭＨｚまでのＡＤＣクロック周波数に対応する５０Ｍｓｐｓまでのサンプルレートを受け入れることができる。ＡＤＣ入力クロック１１８は、周波数がＡＤＣサンプルレートに対応するクロック信号を搬送する。ＡＤＣ１２０は、ＡＤＣ入力クロック１１８に応答して、入力アナログ信号をサンプルレートでサンプリングする。マルチプレクサ２５２は、ＡＤＣのバンク１２０から出力される信号サンプルを受け取る。４つのＡＤＣ１２０ｈ、１２０ｉ、１２０ｊ及び１２０ｋは、１つのマルチプレクサ２５２ｉに信号サンプルを与える。マルチプレクサ２５２ｉは、３つの出力２５３ｉ、２５３ｊ及び２５３ｋを含む。マルチプレクサ２５２ｉは、各サンプル周期中にそれが受信したサンプルの４８ビットを再順序付けし、そしてその再順序付けしたビットを３つのシリアライザ２６１ｉ、２６２ｊ及び２６２ｋに分配する。各シリアライザ２６１ｉ、２６２ｊ及び２６２ｋは、４８の再順序付けされたビット、この場合は、１６ビットのサブセットを受け取り、そして対応するポート２７０ｉ、２７０ｊ及び２７０ｋにより転送するためのそれをシリアル化する。位相固定ループ（ＰＬＬ）２８０は、ＡＤＣクロック周波数の１６倍の周波数を有するデータクロック２８１を発生する。ＰＬＬ２８０は、ＡＤＣ入力クロックに対して動作して、シリアライザ２６２及びデータポート２７０のためのデータクロック２８１を発生する。データクロック周波数は、各シリアライザ２６２ｉから出力されるビットのデータ転送レートに対応する。データクロック周波数は、ＡＤＣクロック周波数に、サンプル周期当たりのマルチプレクスされたビット数を乗算したものである。１２のデータポート２７０は、シリアル化されたビットを、サンプルレートの１６倍のデータ転送レートで転送する。
【００３７】
図１０Ｂは、図１０Ａの構成に対して１つのサンプル周期中にデータポート２７０に与えられるビットの配列を示す。テーブル２９０は、１つのサンプル周期中に１６個のＡＤＣから出力されるサンプルビットのビットマッピングを示す。４つのマルチプレクサ２５２及び３つのシリアライザ２６２を有する構成では、マルチプレクサ２５２は、各信号サンプルのビットを４ビットのブロックへとグループ編成する。マルチプレクサ２５２ｉは、ビットの第１ブロックをシリアライザ２６２ｉへ向け、ビットの第２ブロックをシリアライザ２６２ｊへ向け、そしてビットの第３ブロックをシリアライザ２６２ｋへ向ける。行２９０ｉ、２９０ｊ及び２９０ｋは、各々、シリアライザ２６２ｉ、２６２ｊ及び２６２ｋのビットマッピングを表す。各シリアライザ２６２が１つのサンプル周期中に１６個のマップされたビットを出力するならば、異なるビット順序を生じる他のビットマッピングを使用することもできる。デジタルインターフェイス２２０を横切って転送された後、受信されマルチプレクスされたビットは、信号サンプルの元のシーケンスを回復するために、逆のビットマッピングに基づいて再順序付けされる。
【００３８】
図１１は、信号サンプルの元のシーケンスを回復するためにポートコンセントレーションから生じる受信されマルチプレクスされたビットストリームを再順序付けするブロック図である。ポートコンセントレーションモードにおいて、受信器は、より少数の入力データポート３１０を必要とするだけであり、電力節約及び複雑さの減少となる。入力データポート３１０は、ＬＶＤＳ受信器である。各ＬＶＤＳ受信器は、ＬＶＤＳ送信により発生される差動信号を受信し、そしてそれに対応する受信ビットを再生するロジック状態を発生する。デシリアライザ３１５は、受信されたシリアルビットを、マルチプレクスされた信号サンプルＲからＲのＭ個のパラレルチャンネルへ変換する。デマルチプレクサ３２０は、マルチプレクスされた信号サンプルのビットを、信号サンプルの元のシーケンスＸ1からＸNの順序へ再アレンジする。次いで、超音波信号プロセッサ１３０は、信号サンプルの再生されたシーケンスにビーム成形又はデジタルダウン変換のようなオペレーションを適用する。‘９８８特許出願には、ポートコンセントレーションモードに対する付加的な別の形態が述べられている。
【００３９】
圧縮ユニット２１０ｉにより適用される圧縮方法は、ブロックフローティングポイントエンコーディングを行い、そして信号サンプルの第１又はそれより高次の導関数を計算し、それに続いて、ブロックフローティングポイントエンコーディングを行うことを含む。ブロックフローティングポイントエンコーディングに代わって、ハフマン又は他の形式のエンコーディングを行うこともできる。
【００４０】
圧縮ユニット２１０ｉの好ましい実施形態は、ＡＤＣ出力１２１ｉからの連続的信号サンプルのグループにブロックフローティングポイントエンコーディングを適用し、各グループは、Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルを有する。Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルの最大指数がエンコードされ、そしてＮ＿ＧＲＯＵＰサンプルが次の段階に基づいてエンコードされる。
Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルの第１グループの場合：
１）最大の大きさをもつサンプルの指数（底２）を、例えば、Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルの各グループにおいて最大の大きさのｌｏｇ2を計算することにより決定する。これは、エンコードされたサンプル当たりのビット数、又はｎ＿ｅｘｐ（０）を指示する。
２）Ｓ個のビットを使用して第１グループの指数ｎ＿ｅｘｐ（０）を絶対エンコードする。ここで、Ｓは、サンプル当たりの元のビット数である。
３）サンプル当たりｎ＿ｅｘｐ（０）ビットを使用してＮ＿ＧＲＯＵＰサンプルをエンコードする。
Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルのｉ番目のグループの場合（ｉ＞０）：
４）最大の大きさをもつサンプルのｉ番目の指数（底２）を決定する。これは、ｉ番目のグループにおけるエンコードされたサンプル当たりのビット数、又はｎ＿ｅｘｐ（ｉ）を指示する。
５）ｎ＿ｅｘｐ（ｉ−１）からｎ＿ｅｘｐ（ｉ）を減算することによりｉ番目の指数を差動エンコードし、ｉ番目の差の値を決定する。対応するトークンを使用してｉ番目の差の値をエンコードする。但し、短いトークンは、共通性の多い差の値を表し、そして長いトークンは、共通性の少ない差の値を表す。
６）サンプル当たりｎ＿ｅｘｐ（ｉ）を使用してＮ＿ＧＲＯＵＰサンプルのｉ番目のグループをエンコードする。
【００４１】
第１のサンプルグループの場合に、指数ｎ＿ｅｘｐ（０）が直接エンコードされる。例えば、指数ｎ＿ｅｘｐ（０）は、次のようにエンコードすることができる。但し、Ｓは、サンプル当たりの元のビット数である。
ａ．０：              ｎ＿ｅｘｐ（０）＝０（４つのサンプル値は全てゼロ）
ｂ．１：              ｎ＿ｅｘｐ（０）＝２（サンプル当たり２ビット）
ｃ．２：              ｎ＿ｅｘｐ（０）＝３（サンプル当たり３ビット）
ｄ．等、Ｓ−１まで：  ｎ＿ｅｘｐ（０）＝Ｓ（サンプル当たりＳビット）
【００４２】
ｉ番目のグループの場合に、指数ｎ＿ｅｘｐ（ｉ）は、プレフィックスコードを使用して差動エンコードされ、但し、別のコードワードのプレフィックスとなるコードワードはない。好ましい差動エンコーディングは、次の通りである。
１．差を計算する：ｅ＿ｄｉｆｆ＝ｎ＿ｅｘｐ（ｉ）−ｎ＿ｅｘｐ（ｉ−１）
２．ｅ＿ｄｉｆｆを次のようにエンコードする：
ａ．０：          ｅ＿ｄｉｆｆ＝ｅ（ｉ）−ｅ（ｉ−１）
ｂ．１０１：      ｅ＿ｄｉｆｆ＝＋１
ｃ．１１０：      ｅ＿ｄｉｆｆ＝−１
ｄ．１００１：    ｅ＿ｄｉｆｆ＝＋２
ｅ．１１１０：    ｅ＿ｄｉｆｆ＝−２
ｆ．等
或いは又、指数ｎ＿ｅｘｐ（ｉ）は、差動エンコードされるのではなく、ハフマンエンコードされてもよい。
【００４３】
図１２は、Ｎ＿ＧＲＯＵＰ＝４であるブロックフローティングポイントエンコーダのブロック図である。指数計算器４０２は、ステップ１及びステップ４のように、Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルに対し、最大指数ｎ＿ｅｘｐをビットで決定する。指数トークンジェネレータ４０４は、ステップ２及びステップ５のように、ｎ＿ｅｘｐ値をエンコードする。仮数パッカー４０６は、ステップ３及びステップ６のように、Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルに対する仮数をエンコードする。図１３は、エンコーディングのための信号サンプルのｎ＿ｂｉｔを選択する一例を示す。入力信号サンプル４２０は、Ｋビットで表される。サンプル４２０のｎ＿ｅｘｐ下位ビットは、エンコーディングに対して選択される。選択されたビットにサンプルの符号ビットが添付され、それにより得られるビットシーケンスが仮数を表す。図１２に戻ると、マルチプレクサ４０８は、エンコードされた指数トークン４１１及びそれに続くＮ＿ＧＲＯＵＰ仮数をパックし、Ｎ＿ＧＲＯＵＰ圧縮サンプルを表す圧縮グループ４１０を形成する。この例では、圧縮グループ４１０は、指数トークン４１１及びそれに続く４つのパックされた仮数のシーケンス４１２−０、４１２−１、４１２−２及び４１２−３を含む。圧縮ユニット２１０ｉは、連続する圧縮グループを連結して、圧縮器出力２１１ｉに圧縮パケットのデータ部分を形成する。Ｎ＿ＧＲＯＵＰの好ましいサイズは、グループ当たり３又は４個のサンプルである。しかしながら、可変グループサイズも使用できる。
【００４４】
仮数及び指数を別々にエンコードすることで、付加的な圧縮を与え、そして圧縮エラーを軽減することができる。連続する指数の差の値が計算され、エンコードされる。指数はゆっくり変化し、従って、比較的僅かな非ゼロ値が、ゼロ値のストリングにより分離される。指数の差の値は、非ゼロの差の値及びそれに対応する位置だけを表すことにより効率的にエンコードすることができる。位置は、それに対応するインデックス値により、又は最後の非ゼロの差の値の位置に対して、表すことができる。指数の差の値のエンコーディングは、ロスレスであり、比較的大きなエラーを防止する。指数のデコーディングについては、指数値は、指数の差の値を積分しそしてそれに対応する位置場所をデコードすることにより再構成される。仮数のデコーディングについては、再構成された各仮数値は、デコードされたサンプルの対応する指数の値を変化させないように制限される。ｎ＿ｅｘｐのデコードされた指数については、再構成された仮数は、２n_exp−１の最大値をもつことができる。これは、仮数の圧縮エラーが指数の値を変化させるのを防止する。
【００４５】
別のブロックフローティングポイントエンコーディング方法は、仮数を表すビットの数を減少しそして上述したように指数を差動エンコーディングすることを含む。Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルの仮数を表すビットの数は、グループに対するｎ＿ｅｘｐの値に基づいて、各仮数から最下位ビット（ＬＳＢ）の数を選択的に除去することにより減少される。図１４は、減少された仮数を表すためのビットを選択する一例を示す。ｎ＿ｅｘｐは、上述したステップ１及びステップ４のように決定される。仮数のｎ＿ｅｘｐ下位ビットを全てエンコーディングするのではなく、最下位ビットでスタートしてビット数ｎ＿ＬＳＢが除去される。残りのｍ＿ｅｘｐビット（ｍ＿ｅｘｐ＝ｎ＿ｅｘｐ−ｎ＿ＬＳＢ）がエンコーディングのために選択される。ｎ＿ＬＳＢの値は、式又はテーブルに基づきｎ＿ｅｘｐの値に依存する。図１５は、ｎ＿ｅｘｐ、ｎ＿ＬＳＢ及びｍ＿ｅｘｐの規範的な値を示すテーブルである。ｎ＿ｅｘｐのより大きな値について、ｍ＿ｅｘｐビットを有する減少された仮数を形成するように切断又は丸めることにより、より多くのＬＳＢが除去される。例えば、ｎ＿ｅｘｐが１２である場合には、３つのＬＳＢが除去され、Ｎ＿ＧＲＯＵＰの減少された仮数をパッキングするために９つの仮数ビットが保持される。圧縮器２１０は、ｎ＿ｅｘｐ、ｎ＿ＬＳＢ及びｍ＿ｅｘｐの値のルックアップテーブルを記憶することができる。或いは又、圧縮器２１０は、ｎ＿ＬＳＢ及びｍ＿ｅｘｐをｎ＿ｅｘｐの関数として表し、そして必要に応じてそれらの値を計算することができる。図１６は、減少された仮数を使用するブロックフローティングポイントエンコーディングのブロック図である。Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルの各グループに対して、指数計算器４０２は、上述したように、最大指数ｎ＿ｅｘｐを決定する。仮数ビット計算器４１４は、ルックアップテーブル又は式を使用して減少された仮数におけるビットの数ｍ＿ｅｘｐを決定する。減少された仮数のパッカー４１６は、Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルの各々に対してｍ＿ｅｘｐビットを選択する。次いで、マルチプレクサ４０８は、指数トークン４１１及びそれに続く減少された仮数４１９−０、４１９−１、４１９−２及び４１９−３をパックして、圧縮グループ４１８を形成する。ある条件については、Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルのグループから除去されるＬＳＢはない。例えば、Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルにおける１つ以上のサンプルの大きさが許容最小値より小さいときには、元のＬＳＢを含むＮ＿ＧＲＯＵＰ仮数がパックされる。圧縮サンプルのシーケンスは、減少された仮数を伴ったり伴わなかったりする圧縮グループを含むことができる。
【００４６】
圧縮コントローラは、ブロックフローティングポイントエンコーディングに対して圧縮ユニット２１０ｉに圧縮コントロールパラメータを与える。ｎ＿ＬＳＢ、ｍ＿ｅｘｐ及びｎ＿ｅｘｐのための複数の別のルックアップテーブル又は式がある。圧縮コントロールパラメータは、ｎ＿ＬＳＢ、ｍ＿ｅｘｐ及びｎ＿ｅｘｐのための別のルックアップテーブル又は式に対してＮ＿ＧＲＯＵＰ及び選択パラメータを含む。圧縮コントロールパラメータは、全ての圧縮ユニット２１０ｉに対して均一である。或いは又、圧縮コントロールパラメータは、異なる圧縮ユニット２１０ｉに対して異なる値をもつことができる。圧縮コントローラは、ユーザ入力に応答して、圧縮コントロールパラメータを選択することができる。
【００４７】
圧縮されたサンプルは、デジタルインターフェイス２２０を経て転送するために圧縮パケットのデータ部分へ挿入することができる。ＡＤＣ１２０ｉによってデジタル化された受信パルスに対応する圧縮サンプルのシーケンスは、１つ以上の圧縮パケットに配列することができる。或いは又、図９を参照して述べたように、複数のＡＤＣ１２０ｉからの圧縮サンプルのシーケンスを合成して、所与のデータポート２７０ｉを経て転送するための圧縮パケットを形成することもできる。圧縮パケットのヘッダ部分は、パケットのための識別情報を含む。又、ヘッダは、パケットにおける圧縮されたサンプルの圧縮コントロールパラメータを表すコントロールデータも含むことができる。圧縮コントロールパラメータに関する情報は、解凍オペレーションを構成するように解凍器２４０により使用することができる。
【００４８】
解凍については、解凍器２４０は、圧縮サンプルのシーケンスにブロックフローティングポイントデコーディングを適用する。Ｎ＿ＧＲＯＵＰ圧縮サンプルの各グループについては、解凍器２４０は、指数トークンをデコードして、ｎ＿ｅｘｐの値を決定する。差動エンコードされた指数は、積分されて、ｎ＿ｅｘｐの値を形成する。次いで、圧縮グループ４１０又は４１８からの各仮数に対するビットをアンパックして、それらビットを解凍ビットへとマッピングすることにより、Ｎ＿ＧＲＯＵＰ仮数が再構成される。解凍されたサンプルは、超音波信号プロセッサ１３０のダウンストリーム処理要求に基づいてサンプル当たりの元のビット数又はサンプル当たりの異なるビット数により表すことができる。減少仮数を使用するブロックフローティングポイントエンコーディングについては、解凍器２４０は、ｎ＿ｅｘｐのデコード値に基づいてｎ＿ＬＳＢの値を決定するためのルックアップテーブル又は式も含む。減少仮数に対するアンパックされたビットには、元のサンプルを近似するためにゼロ又はディザ値であるｎ＿ＬＳＢビットが添付される。
【００４９】
‘５３３特許は、ある帯域制限信号を圧縮及び解凍するためのアルゴリズムについて述べている。以下に述べる別の圧縮方法の幾つかは、超音波信号サンプルに関する‘５３３特許のアルゴリズムの変更である。
【００５０】
超音波信号サンプルを圧縮するための別の態様は、差を計算した後に、エンコードすることである。超音波信号サンプルの第１又はそれより高次の差を計算することで、元の信号サンプルより大きさが小さい差のサンプルを得ることができる。差のサンプルをエンコードすることにより、サンプルそれ自体をエンコードする場合より大きな圧縮を得ることができる。ＡＤＣ出力１２１ｉの連続サンプルの差を計算するのに続いて、上述したように、差のサンプルのブロックフローティングポイントエンコーディングを行うことができる。この場合は、差のサンプルが、ＡＤＣ出力１２１ｉの信号サンプルではなく、ブロックフローティングポイントエンコーダに入力される。或いは又、ハフマンエンコーディング又は他のエンコーディングを差のサンプルに適用することができる。
【００５１】
図１７は、差の演算を含む圧縮ユニット２１０ｉのブロック図である。圧縮ユニット２１０ｉは、ＡＤＣ１２０ｉから超音波信号サンプルを受け取る。圧縮コントローラ３４０は、各圧縮ユニット２１０ｉの差の演算器３３０ｉ及びエンコーダ３３２ｉに対する圧縮コントロールパラメータを与える。差の演算器３３０ｉの圧縮コントロールパラメータは、第１、第２又はそれより高次の差を選択することができる。差の演算器３３０ｉは、選択された差の順序を適用して、差のサンプルを発生する。又、圧縮コントロールパラメータは、エンコーダ３３２ｉが差のサンプルではなく信号サンプルをエンコードするように、差の演算をバイパスするよう選択することもできる。エンコーダ３３２ｉの圧縮コントロールパラメータは、上述したように、ブロックフローティングポイントエンコーダのパラメータを指示するか、又はハフマンエンコーダ又は別のエンコーダのパラメータを指示することができる。圧縮コントロールパラメータは、異なる圧縮ユニット２１０ｉに対して同じものでも、異なるものでもよい。
【００５２】
図１８は、解凍器２４０のブロック図である。解凍器は、システムアーキテクチャーに基づいて、デジタルインターフェイス２２０、キャプチャーメモリ２３０又はビーム成形器メモリ１６２から圧縮サンプルを受け取る。デコーダ３５２は、エンコーダ３３２ｉのオペレーションを逆に行い、デコードされたサンプルを形成する。例えば、デコーダ３５２は、ブロックフローティングポイントデコーディング、ハフマンデコーディング、又は他のデコーディングを遂行する。積分演算器３５４は、デコードされた差のサンプルを加算して、圧縮のために遂行される第１又はそれより高次の差の演算を逆に行う。圧縮に対して差の演算が行われない場合には、積分演算器３５４がバイパスされる。解凍コントローラ３５０は、デコーダ３５２及び積分演算器３５４にコントロールパラメータを与える。解凍コントローラ３５０は、圧縮データパケットのヘッダからコントロールデータを抽出して、解凍オペレーションのためのコントロールパラメータを決定する。
【００５３】
圧縮のための別の態様では、中心周波数及びサンプルレートに基づいて超音波信号サンプルに算術演算を適用する。図１９は、異なる中心周波数をもつ信号サンプルを圧縮するための原理に基づく別々の例を示す。図１９において「帯域１」と示された行に対応する基本帯域信号の例から始めると、中心周波数は、ほぼＤＣ（０Ｈｚ）であり、連続サンプル間の位相増加は、１０°未満である。第１のフェーザ図７１０は、連続サンプル間の位相変化が小さいので、連続サンプルの差の大きさがサンプルそれ自体の大きさに比較して比較的小さいことを示している。第１の規範的シーケンス７１２は、帯域１の基本帯域信号のサンプルに対応する。連続サンプル間の差がサンプルの大きさに対して小さいので、第１又はより高次の差を計算するか又は差動エンコーディングすると、元のサンプルより小さいデータ巾をもつ差のサンプルが生成される。図１７を参照して述べた差動エンコーディングを使用する圧縮は、基本帯域（帯域１）の例について効果的である。
【００５４】
又、図１９は、中心周波数がＤＣよりは高いが、ナイキスト周波数ｆs／２よりは低いサンプル信号の例も示している。帯域２の場合に、中心周波数は、ほぼｆs／６であり、連続サンプル間の位相増加は、約６０°である。第２のフェーザ図７２０は、１８０°又は３つのサンプルインターバルだけ分離されたサンプルの対が、同様の大きさを有するが、逆の極性であることを示しており、これは、サンプル対（７２０−０、７２０−３）、（７２０−１、７２０−４）及び（７２０−２、７２０−５）により示されている。対におけるサンプルの１つを反転すると（又は（−１）を乗算すると）、その対における他のサンプルの厳密な推定が与えられる。第２の規範的シーケンス７２２も、３つのサンプルインターバルだけ分離されたサンプルが同様の大きさ及び逆の符号を有することを示している。例えば、サンプル７２２−０の値は、３２７６７であり、そしてサンプル７２２−３の値は、−３２７５６である。帯域２の場合に、３つのサンプルインターバルだけ分離されたサンプルの対に対するオペレーションは、小さなデータ巾の変更サンプルを発生する。対においてサンプルを追加するオペレーションは、より効率的にエンコードできる小さなデータ巾の変更サンプルを発生する。
【００５５】
図１９における帯域３の例では、中心周波数がほぼｆs／４であり、連続サンプル間の位相増加が約９０°である。第３のフェーザ図７３０は、１８０°又は２つのサンプルインターバルだけ分離されたサンプルが、同様の大きさ及び逆の極性を有することを示している。又、第３の規範的シーケンス７３２は、１つおきのサンプルが同様の大きさ及び逆の極性を有することを示している。帯域３の場合に、１つおきのサンプルを一緒に加算すると、元のサンプルより効率的にエンコードできる小さなデータ巾の変更サンプルが生じる。
【００５６】
図１９における帯域４の例では、中心周波数がほぼｆs／３であり、連続サンプル間の位相増加が約１２０°である。第４のフェーザ図７４０は、３６０°又は３つのサンプルインターバルだけ分離されたサンプルが同様の大きさを有することを示している。第４の規範的シーケンス７４２は、２つおきのサンプルが同様の大きさを有することを示している。この場合に、３つのサンプルインターバルだけ分離されたサンプル間の差を形成することで、元のサンプルより効率的にエンコードできる小さなデータ巾の変更サンプルが得られる。
【００５７】
図１９における帯域５の例では、中心周波数がほぼｆs／２であり、連続サンプル間の位相増加が約１８０°である。第５のフェーザ図７５０は、１８０°又は１つのサンプルインターバルだけ分離されたサンプルが同様の大きさを有するが極性が逆であることを示している。第５の規範的シーケンス７５２は、連続サンプルが同様の大きさ及び逆の極性を有することを示している。この場合に、２つの連続サンプルを加算することで、元のサンプルより効率的にエンコードできる小さなデータ巾の変更サンプルが形成される。
【００５８】
図１９について述べた前記例は、サンプルレートと中心周波数との比に基づいて、１つ、２つ又は３つのサンプルインターバルだけ分離された信号サンプルに対して加算（又は反転の後に減算）又は減算（又は反転の後に加算）のようなオペレーションを遂行することにより大きさ減少を達成できることを示している。それにより得られる変更サンプルは、次いで、圧縮サンプルを形成するようにエンコードされる。中心周波数とサンプルレートとの比に基づいて、４つ以上のサンプルインターバルだけ分離されたサンプルに同様のオペレーションを適用して、元の信号サンプルより小さなデータ巾の変更サンプルを発生することができる。
【００５９】
図２０は、信号サンプルの中心周波数に基づく圧縮アルゴリズムのブロック図である。ＡＤＣ１２０ｉは、再順序付けデマルチプレクサ８１０に超音波信号サンプルを与える。再順序付けデマルチプレクサ８１０は、選択されたサンプルが圧縮コントロールパラメータ８５２に基づいて適当な数のサンプルインターバルだけ分離されてデマルチプレクサ出力８１２を形成するように信号サンプルを選択する。算術演算器８３０は、圧縮コントロールパラメータ８５６に基づいてデマルチプレクサ出力サンプル８１２の対に対して加算又は減算演算を行って、変更サンプル８３２を形成する。又、算術演算器８３０は、デマルチプレクサ出力サンプル８１２に対してより高次の差を得るように構成することもできる。エンコーダ８４０は、変更サンプル８３２をエンコードして、圧縮信号サンプルを形成する。エンコーダ８４０は、ブロックフローティングポイントエンコーディング、ハフマンエンコーディング、又は他のエンコーディングを適用して、圧縮サンプルを形成する。ブロックフローティングポイントエンコーディングについては、ＡＤＣ出力１２１ｉの信号サンプルではなく、ブロックフローティングポイントエンコーダに変更サンプル８３２が与えられる。
【００６０】
圧縮コントローラ８６０は、信号サンプルのサンプルレートと中心周波数との比に基づいて圧縮器要素にコントロールパラメータを与える。再順序付けデマルチプレクサ８１０及び算術演算器８３０は、各々、圧縮コントロールパラメータ８５２及び８５６に応答して、適当なオペレーションを遂行する。図２１は、中心周波数に基づき変更サンプル８３２を発生するオペレーションを示す。第１の列８７１は、この例について考えられる中心周波数を示す。第２の列８７２は、各中心周波数に対する対応周波数帯域指示子を示す。指示子は、圧縮コントロール８５２及び８５６のためのパラメータとして使用することができる。第３の列８７３は、圧縮コントロールパラメータ８５２に基づいて発生されるサンプルｘ（ｉ）及びｘ（ｉ−ｊ）の異なる分離を再順序付けデマルチプレクサ出力８１２に与える。第４の列８７４は、圧縮コントロールパラメータ８５６に基づき加算又は減算の算術演算を選択する結果を示す。インバータが遅延サンプルを「オン」にするときに、ｘ（ｉ−ｊ）が減算される。第５の列８７５は、変更サンプル８３２を発生する算術演算器８３０の数学的結果、又はｙ（ｉ）を示す。又、圧縮コントローラ８６０は、エンコーダ８４０のコントロールも与える。圧縮コントロールパラメータ８５８は、ブロックフローティングポイントエンコーディング、又は他のエンコーディング技術のためのパラメータを示すことができる。
【００６１】
図２２は、異なる中心周波数について図１５及び図１６を参照して述べたように計算される図１９の例に対する信号サンプルｘ（ｉ）及びｘ（ｉ−ｊ）の和又は差を示す。信号サンプルの規範的なシーケンスは、図１９と同じである。規範的シーケンス９１２及び９４２におけるＤＩＦＦ（差）の行、並びに規範的シーケンス９２２、９３２及び９５２におけるＳＵＭ（和）の行のサンプルは、それに対応する信号サンプルより実質的に低い大きさ、又はｘ（ｉ）を有する。ＤＩＦＦサンプル及びＳＵＭサンプルは、図２０のエンコーダ８４０へ入力される変更サンプル９３２の例である。
【００６２】
図２３は、図２０を参照して述べた圧縮器２１０に対して解凍器２４０により遂行されるオペレーションのブロック図である。圧縮サンプルは、デコーダ９１０により、システムアーキテクチャーに基づいて、デジタルインターフェイス２２０、キャプチャーメモリ２３０又はビーム成形メモリ１６２から受け取られる。デコーダ９１０は、アンパックすると共に、圧縮データに対して、例えば、ブロックフローティングポイントデコーディングのようなデコーディングオペレーションを遂行し、デコードされた変更サンプルを形成する。逆算術演算器９２０は、算術演算器８３０とは逆の演算を遂行して、デコードされた変更サンプルから信号サンプルを再構成する。マルチプレクサ９３０は、解凍された信号サンプルに対して元の順序を回復して、超音波信号サンプルのシーケンスを再構成する。解凍コントローラ９４０は、デコーダ９１０、逆演算器９２０及びマルチプレクサ９３０にコントロールパラメータを与える。解凍コントローラ９４０は、圧縮データパケットのヘッダからコントロールデータを抽出し、解凍オペレーションのためのコントロールパラメータを決定することができる。
【００６３】
圧縮器２１０の実施形態は、ＡＤＣから出力されるサンプルをリアルタイムで又は少なくともサンプルレートと同程度に速いレートで圧縮できる単純なオペレーションを適用する。差の演算器３３０ｉ（図１７）は、１つ以上の減算器を含む。ブロックフローティングポイントエンコーディング（図１３及び図１６）は、比較器、減算器及びルックアップテーブルを使用する。或いは又、ハフマンエンコーディングは、ルックアップテーブルを使用して、値にコードを指定する。図２０を参照して述べる圧縮オペレーションは、デマルチプレクシング、加算及び減算を含む。解凍器２４０の実施形態は、圧縮サンプルを解凍するために単純なオペレーションを適用する。解凍器２４０は、ブロックフローティングポイントデコーディングのためのルックアップテーブル及び加算器を含む。積分演算器３５４（図１８）は、デコードされたサンプルを積分するための１つ以上の加算器を含む。図２３の解凍器２４０のオペレーションは、加算、減算及びマルチプレクシングを含む。
【００６４】
超音波システムにおける本発明の好ましい具現化では、圧縮器２１０及びＡＤＣ１２０のバンクを単一の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）デバイスに一体化する。図５のブロック図を参照すれば、ＡＤＣ１２０のバンクは、圧縮器２１０と共に、アナログ入力及びデジタル出力を有する混合信号集積回路デバイスに一体化される。複数のＮ個の独立したＡＤＣ１２０ｉは、Ｎ個の入力アナログ超音波信号をＮ個のデジタル超音波信号へとパラレルに変換する。ＡＤＣ１２０ｉは、複数段のフラッシュコンバータ又は他のＡＤＣアーキテクチャーを含むパイプラインデータコンバータにより具現化することができる。ＡＳＩＣ具現化のために、ＡＤＣの知的プロパティ（ＩＰ）が商業的に利用可能である。圧縮器２１０を具現化するデジタルロジックにＡＤＣの出力チャンネル１２１ｉが結合される。圧縮器２１０の好ましい具現化では、複数の圧縮コアを並列に含み、各圧縮コアは、ＡＤＣ１２０ｉの１つに結合され、１つの圧縮ユニット２１０ｉの圧縮オペレーションを具現化する。或いは又、１つの圧縮コアが、２つ以上のＡＤＣ１２０ｉからの信号サンプルを圧縮するように複数の圧縮ユニット２１０ｉを具現化することもできる。この別の態様では、圧縮コアは、異なるＡＤＣ１２０ｉからの信号サンプルを、それらが処理されるまで記憶するためのバッファを含む。又、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）において圧縮オペレーションを具現化することもできる。圧縮されたサンプルは、図８、９及び１０に示すように、ＬＶＤＳポート２７０ｉを経てデジタルインターフェイス２２０へ出力することができる。ＬＶＤＳインターフェイスのＩＰコアは、ＡＳＩＣ及びＦＰＧＡ具現化に商業的に利用できるものである。別の具現化では、パラレルＡＤＣ装置の出力に結合される個別の装置に圧縮オペレーションが含まれる。圧縮オペレーションは、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、又はプログラマブルプロセッサ、例えば、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、マルチコアＣＰＵ（ＩＢＭセルのような）、又はグラフィック処理ユニット（ＧＰＵ；例えば、Ｎｖｉｄｉａ  ＧｅＦｏｒｃｅ）において具現化することができる。
【００６５】
超音波システムのアーキテクチャーに基づいて、解凍器２４０は、超音波信号プロセッサ１３０と同じ装置又はそれとは異なる装置に合体されてもよい。解凍オペレーションは、ＡＳＩＣ又はＦＰＧＡにおいて具現化することができる。或いは又、解凍オペレーションは、ＤＳＰ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、ＣＰＵ又はＧＰＵのようなプログラマブルプロセッサにより実行可能なソフトウェア又はファームウェアプログラムで具現化することもできる。解凍器２４０の好ましい具現化は、ＧＰＵにより実行可能な解凍オペレーションのインストラクションを有するソフトウェアプログラムである。又、ＧＰＵは、解凍サンプルに対する超音波信号プロセッサ１３０のビーム成形オペレーションのようなオペレーションの少なくとも一部分を具現化するようにプログラムされてもよい。或いは又、解凍サンプルは、超音波信号処理オペレーションのためにＣＰＵのような別のプログラマブルプロセッサへ転送されてもよい。
【００６６】
図２４は、解凍器２４０のＧＰＵにおける具現化、及び超音波画像を発生するための他のオペレーションを示すブロック図である。現在のＧＰＵアーキテクチャーは、並列計算に対して最適化された複数の処理コアを含む。例えば、Ｎｖｉｄｉａ  ＧｅＦｏｒｃｅ  ＧＴＳ  １５０  ＧＰＵは、１２８個の処理コアを備えている。Ｎｖｉｄｉａの“ＣＵＤＡ”（コンピュート・ユニファイド・デバイス・アーキテクチャー）は、ＧＰＵの処理コアにおいて並列アルゴリズムを具現化するためにＣ言語への拡張を含むアプリケーションプログラミングインターフェイス（ＡＰＩ）であり、２００８年、Ｎｖｉｄｉａ社のＲｕｅｔｓｃｈ及びＯｓｔｅｒ著の“Getting Started with CUDA”と題する文書に説明されている。以下に述べるＯｐｅｎＣＬ及びＬａｒｒａｂｅｅのような別のＧＰＵ及びプログラミング方法は、具現化プラットホームを与える。図２４に示す具現化では、ＧＰＵ装置１０００は、解凍器２４０、超音波信号プロセッサ１３０（ビーム成形、Ｂモード処理及びドップラー処理）、スキャンコンバータ１４０、及び画像プロセッサ１５０のオペレーションを実行するようにプログラムされる。ＧＰＵ装置１０００は、並列処理ユニットによりアクセスできるダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）１００２を含む。このＤＲＡＭ１００２は、ＧＰＵの他の処理オペレーションから生じる圧縮及び／又は解凍されたサンプル及びデータを記憶する。システムコントローラ１０１０は、受け取ったデータから超音波画像を発生するためのタスクの整合を与え、そしてユーザのコマンドに応答する。ＣＰＵ１０１２は、解凍をサポートするオペレーションを具現化し、例えば、圧縮されたパケットのヘッダから圧縮コントロールパラメータをデコードし、そしてそれらをＧＰＵ装置１０００へ供給して解凍オペレーションを構成する。ＤＲＡＭ１０１６は、デジタルインターフェイス２２０から受け取った圧縮されたサンプル及びＣＰＵオペレーションに必要な他のデータを記憶する。通信コントローラ１０１４は、デジタルインターフェイス２２０から受け取った圧縮パケットをＤＲＡＭ１００２又はＤＲＡＭ１０１６へ向けると共に、システムコントローラ１０１０とＧＰＵ装置１０００との間のデータ交換を管理する。
【００６７】
好ましいシステムアーキテクチャーにおいて、システムコントローラ１０１０は、ディスプレイ１６０のためのスクリーンを有するコンピュータのマザーボードにおいて具現化される。ＧＰＵ装置１０００は、ＰＣＩｅ（ペリフェラル・コンポーネント・インターコネクト・エクスプレス）バックプレーンリンクによってシステムコントローラ１０１０と通信するＤＲＡＭ１００２を含むグラフィックカードにおいて実施される。或いは又、ＧＰＵ装置１０００は、マザーボードにマウントされたＩＣにおいて実施されてもよい。ＡＤＣバンク１２０及び圧縮器２１０がデータ取得カードにマウントされるシステムアーキテクチャーでは、デジタルインターフェイス２２０がＰＣＩｅバックプレーンリンクにより実施される。
【００６８】
ムーアの法則によれば、集積レベルが高いほど、よりコンパクトな装置となり、システムコントローラ１０１０及びＧＰＵ装置１０００を単一のＩＣで具現化できるようになることが明らかである。例えば、インテル社は、ベクトル処理装置で増強されたｘ８６ＣＰＵコアの複数のインスタンス化を含む多コアＩＣアーキテクチャーを開発している。ララビー(Larrabee)と称されるこのアーキテクチャーは、２００８年８月、ACM Transactions on Graphics、第２７巻、第３号、第１８条に掲載されたシーラー氏等の“Larrabee: A Many-Core x86 Architecture for Visual Computing”と題する文書に述べられている。ララビーアーキテクチャーは、グラフィック処理を含めて並列処理を要求するアプリケーションをサポートする。「ララビーネーティブ」プログラミングモデルは、並列プログラミング及びベクトル化のためのＣ／Ｃ＋＋及びＡＰＩを含む。
【００６９】
図２５は、解凍器２４０のＣＰＵ／ＧＰＵ装置における具現化、及び超音波画像を発生するための他のオペレーションを示すブロック図である。ＣＰＵ／ＧＰＵ装置１０２０は、解凍器２４０、超音波信号プロセッサ１３０、スキャンコンバータ１４０、及び画像プロセッサ１５０のオペレーションを具現化することができる。ＣＰＵ／ＧＰＵコントローラ１０２２は、デジタルインターフェイス２２０から受け取られた圧縮サンプルに対する処理オペレーションを整合し、そしてユーザ入力に応答する。ＣＰＵ／ＧＰＵ装置１０２０は、ララビープラットホームによるか、或いはＣＰＵ及びＧＰＵ一体化機能を伴う他のプログラマブル装置によって具現化される。
【００７０】
ＡＤＣバンク１２０及び圧縮器２１０がトランスジューサヘッドに収容されるシステムアーキテクチャーでは、デジタルインターフェイス２２０は、ワイヤード又はワイヤレス通信リンクである。ワイヤード通信リンクの場合に、デジタルインターフェイスは、ＰＣＩｅケーブルリンク又は光ファイバリンクによって具現化される。ワイヤレス通信リンクでは、デジタルインターフェイスは、高周波チャンネルを経て圧縮パケットのデジタル変調及び送信を与えると共に、受け取った圧縮パケットのデジタル復調を与える。ワイヤレスリンクは、ＷｉＦｉ（ＩＥＥＥ８０２．１１）又はＵＷＢ（ウルトラワイドバンド）フォーマットのようなワイヤレス通信プロトコルに適合する。
【００７１】
以上、本発明の好ましい実施形態を図示して説明したが、本発明は、それらの実施形態のみに限定されないことが明らかである。当業者であれば、特許請求の範囲に規定される本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、多数の修正、交換、変更、置き換え及び等効物が明らかとなろう。
【符号の説明】
【００７２】
１２０：ＡＤＣバンク
１３０：超音波信号プロセッサ
１４０：スキャンコンバータ
１６０：受信ビーム成形器
１６２：ＢＦメモリ
１６４：ＢＦ計算器
２１０：圧縮器
２１０ｉ：圧縮ユニット
２２０：デジタルインターフェイス
２３０：キャプチャーメモリ
２４０：解凍器
２５０：マルチプレクサ
２６０：シリアライザ
２７０ｉ：データポート
２８０：位相固定ループ（ＰＬＬ）
【図１】
0005715621.tif 000002
【図２】
0005715621.tif 000003
【図３】
0005715621.tif 000004
【図４】
0005715621.tif 000005
【図５】
0005715621.tif 000006
【図６】
0005715621.tif 000007
【図７】
0005715621.tif 000008
【図８】
0005715621.tif 000009
【図９】
0005715621.tif 000010
【図１０Ａ】
0005715621.tif 000011
【図１０Ｂ】
0005715621.tif 000012
【図１１】
0005715621.tif 000013
【図１２】
0005715621.tif 000014
【図１３】
0005715621.tif 000015
【図１４】
0005715621.tif 000016
【図１５】
0005715621.tif 000017
【図１６】
0005715621.tif 000018
【図１７】
0005715621.tif 000019
【図１８】
0005715621.tif 000020
【図１９】
0005715621.tif 000021
【図２０】
0005715621.tif 000022
【図２１】
0005715621.tif 000023
【図２２】
0005715621.tif 000024
【図２３】
0005715621.tif 000025
【図２４】
0005715621.tif 000026
【図２５】
0005715621.tif 000027